本文圖片來源：ODVA

　　改進工業(yè)電機的設(shè)計以及與驅(qū)動裝置和其他系統(tǒng)的通信，可幫助工程師在工業(yè)機器和應(yīng)用方面取得成功。

　　設(shè)計和部署電機驅(qū)動系統(tǒng)有助于提高自動化效率，并為生產(chǎn)過程的關(guān)鍵部件提供信息。電機和驅(qū)動裝置之間以及其它設(shè)備和系統(tǒng)之間的工業(yè)通信通常采用基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，例如EtherCAT、EtherNet/IP和Profinet等。

　　三位來自通信協(xié)議組織的專家：PI用戶組織北美執(zhí)行董事 Michael Bowne、EtherCAT技術(shù)集團北美代表 Bob Trask 和 ODVA組織分布式運動和時間同步 SIG成員Paul Brooks，向我們介紹了工程師如何優(yōu)化電機驅(qū)動系統(tǒng)、改善工業(yè)電機通信、操作和安全。

　　01 電機選擇標(biāo)準(zhǔn)

　　EtherCAT技術(shù)集團北美代表 Bob Trask認為，良好的電機通信有助于驅(qū)動器的設(shè)置。首先，需要選擇電機類型、編碼器以及負載類型、電流、功率、最大速度、參考速度以及其它關(guān)系。接下來需要考慮的是模式。選擇使用定位模式嗎？是基于位置控制嗎？還是基于速度，基于扭矩的運動或是基于電流的運動？是傾向集中式運動控制還是分布式運動控制？集中式運動控制消除了許多復(fù)雜性。

　　循環(huán)同步速度是一個 CANopen 術(shù)語，我發(fā)現(xiàn)它的應(yīng)用越來越廣泛。用于驅(qū)動器和運動控制的 CiA DS402 設(shè)備配置文件是 EtherCAT使用的一種協(xié)議。CiA DS402 可在每個循環(huán)中提供更平穩(wěn)的定位。您可以選擇其他值進行周期監(jiān)控。

　　人們對電機驅(qū)動安全具有巨大并且逐步增長的興趣。集成安全是數(shù)據(jù)的最大消費者，正與驅(qū)動器進行更廣泛的集成。預(yù)測性維護信息的交流也正在增加，用戶可以嘗試在問題出現(xiàn)之前預(yù)測問題。

▲圖1：電機和驅(qū)動通信的信息類型包括過程數(shù)據(jù)、安全、配置、診斷、分析、時間同步、供應(yīng)商專用功能和控制模型/模式。

　　02 電機的分析和優(yōu)化

　　ODVA組織分布式運動和時間同步SIG成員Paul Brooks認為，運動控制的基石是在控制器和驅(qū)動器之間實時交換過程數(shù)據(jù)，包括速度模式、位置模式、位置指令、速度指令、扭矩指令，反饋位置、速度扭矩和狀態(tài)信息。

　　電機與驅(qū)動裝置的組合是一種在物理上移動物體的方式。確保運行人員的安全不僅僅是停止電機；它還涉及以安全的方式、安全的速度、安全的扭矩等操作電機和運動控制系統(tǒng)。配置、診斷和分析是關(guān)鍵?？梢垣@得有關(guān)驅(qū)動器、電機及其對負載影響的信息。

　　運行人員可以利用這些分析信息，通常是通過人工智能和機器學(xué)習(xí)來改進短期實時控制和系統(tǒng)的長期流程優(yōu)化。這包括識別驅(qū)動器-電機對的惡化狀況，以及與之相連的機械負載的惡化狀況。在數(shù)據(jù)流的增長中，數(shù)據(jù)分析占了大頭。時間同步是一項關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，它允許協(xié)調(diào)運動控制，以確保驅(qū)動器和電機對時間有相同的理解。供應(yīng)商或協(xié)議特定的信息是另一個重要的數(shù)據(jù)集。

　　ODVA在運動控制方面提供兩種獨立的運行模式，一種是簡單的I/O數(shù)據(jù)塊，標(biāo)準(zhǔn)化以提供供應(yīng)商之間的互操作性，另一種是簡化的接口，通常從驅(qū)動器傳輸速度命令?？刂破骱万?qū)動器之間有一種更高性能的運動接口，稱為CIP Motion。該應(yīng)用配置文件提供了一個分布式模型的協(xié)作視圖，該視圖具有更好的集中模型。

　　03 優(yōu)化電機驅(qū)動的通信

　　通常，驅(qū)動器有許多參數(shù)需要配置和參數(shù)化?！澳枰獙⒃O(shè)定值從控制器發(fā)送到驅(qū)動器。”PI用戶組織北美執(zhí)行董事Michael Bowne說道?？刂破骺梢允强删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）或工業(yè)PC，也可以是電機的專用控制器。

　　然后驅(qū)動器發(fā)回實際值，如扭矩、電流、速度、位置、設(shè)定斜率和單位以及其它參數(shù)。在Profinet中，這些接口由應(yīng)用類定義。實際值和設(shè)定值（特別是實際值），可以從驅(qū)動器發(fā)回到中央控制器，或者驅(qū)動器可以與驅(qū)動器通信。

　　使用Profinet（基于以太網(wǎng)）進行集中控制。它可以是簡單對象，比如過程控制應(yīng)用中的泵或風(fēng)扇，一般會配置簡單的開環(huán)驅(qū)動器。沒有反饋，或者如果有，也是來自編碼器或伺服。不需要時鐘同步運行，因為這是一個非常簡單的應(yīng)用。循環(huán)周期大約是幾十毫秒。其它應(yīng)用可能需要更復(fù)雜的對象，例如將位置信息從PLC發(fā)送到驅(qū)動器的單軸定位。

　　伺服或編碼器為從驅(qū)動器到控制器的閉環(huán)控制提供反饋。這也不是通過時鐘同步的，因為它是單軸的，可能并不需要這樣做，但循環(huán)周期大約為1到10毫秒。在高性能領(lǐng)域，利用多路定位時鐘可以同步多個軸。

　　對于亞毫秒級的循環(huán)周期是需要反饋的。這就需要交換帶時間同步的設(shè)定值和實際值。在某一個應(yīng)用中有效的功能，在另一個高性能應(yīng)用中可能并不需要，反之亦然。

▲圖2：工具調(diào)用接口（TCI）是Profinet的一項功能，與 Profidrive的理念類似，即盡可能使驅(qū)動器的設(shè)置更易于運行。

　　04 助力智能制造

　　在智能制造中，通過模塊化機器的重復(fù)使用實現(xiàn)自組織生產(chǎn)，一臺機器可能具有多種不同的功能，可以放置在生產(chǎn)單元的多個不同位置。Brooks談道，機器需要能確定它自己身處何處，以及從哪里獲得所需的配方。所有制造商都在努力實現(xiàn)輕量化工廠以提高效率和減少用人成本，并更好地保障勞動力的安全，尤其是在可用工人減少的情況下。

　　在增材制造、3D打印等方面的推動下，批量生產(chǎn)開始進入消費包裝行業(yè)。在智能制造中，數(shù)字孿生預(yù)測我們所期望的操作。數(shù)字孿生為工程領(lǐng)域帶來了新的學(xué)科。數(shù)據(jù)科學(xué)家與主題專家合作，將異常工況轉(zhuǎn)化為正常運營、更好的報告、更好的系統(tǒng)監(jiān)控和更好的整體監(jiān)控。遠程工作人員可以將專業(yè)知識帶到機器上，而無需重新部署。

　　電機驅(qū)動通信接口的發(fā)展，有助于改善生產(chǎn)力、安全性和可持續(xù)性。它有助于更有效地運行電機以降低能源成本，并確定發(fā)生電機故障的原因。預(yù)測故障可以降低成本，并減少最糟糕的停機類型——計劃外停機的時間。高級診斷為維護人員在干預(yù)系統(tǒng)之前提供更多信息，從而縮短干預(yù)時間，這有助于提高生產(chǎn)力和運營效率。可持續(xù)發(fā)展的核心是提高生產(chǎn)效率，從而降低對環(huán)境的總體制造成本。

　　05 便捷的驅(qū)動配置和分析

　　Bowne認為，智能制造還與易用性有關(guān)，讓人們更容易完成任務(wù)，騰出時間進行應(yīng)用分析以助力預(yù)測性維護，而不僅僅是優(yōu)化。工具調(diào)用接口（TCI）是Profinet的一項功能，與 Profidrive的理念類似，即盡可能使驅(qū)動器的設(shè)置更易于運行。工具調(diào)用接口將驅(qū)動器供應(yīng)商的調(diào)試工具直接集成到PLC工程中，例如，IBC或控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。最終用戶可以在 PLC 設(shè)置中使用熟悉的 PLC 工程工具界面，并訪問供應(yīng)商調(diào)試工具的所有功能。

　　這使得驅(qū)動器更易于設(shè)置，并易于將所有配置數(shù)據(jù)存儲在同一位置（在PLC項目中），避免在調(diào)試工具和PLC項目之間來回奔波。這是通過標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序接口（API）來處理的。許多具有調(diào)試工具的驅(qū)動器供應(yīng)商編寫了與此API相匹配的代碼，以便在PLC項目中使用工具。

　　信息模型有助于驅(qū)動器更快、更輕松地運行，尤其是OPC UA配套規(guī)范。OPC UA將類似Profidrive的應(yīng)用配置文件向前推進了一步。Profidrive以一種標(biāo)準(zhǔn)化的方式配置所有參數(shù)，因此在驅(qū)動器、電機和控制器之間傳送時，它們看起來總是一樣的。一旦工廠運行良好，如何節(jié)省準(zhǔn)備和清理數(shù)據(jù)以進行分析所需的時間？

　　在提供強大的信息模型以使其盡可能簡單方面，OPC UA發(fā)揮著重要作用。隨著IT/OT的不斷融合，用戶希望在邊緣獲得更多驅(qū)動數(shù)據(jù)。Profidrive的配套規(guī)范將驅(qū)動參數(shù)映射到OPC UA信息模型中。沒有實現(xiàn)IT/OT融合的小型制造企業(yè)，可能需要在同一條線路上使用多個協(xié)議，或者需要進行一些基本分析，在此方面OPC UA可以提供幫助。